Lasersicherheit Hochleistungslaser in der Industrie fordern die Sicherheitstechnik heraus

Autor / Redakteur: Florian Lugauer und andere / Mag. Victoria Sonnenberg

Teil 1: Mit der dynamischen Entwicklung der Lasertechnik steigen auch die Anforderungen an die Sicherheitstechnik. Diese muss garantieren, dass sowohl der Mensch als auch die Umwelt, trotz der Möglichkeit, in Sekundenbruchteilen immense Leistungsdichten an einem beliebigen Ort im Raum zu positionieren, keinen Schaden erleiden.

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Bild 1: Probe einer Laserschutzwand aus drei Stahlplatten in den Dicken 1,5 mm, 1,5 mm und 3 mm im Abstand von jeweils 100 mm.
Bild 1: Probe einer Laserschutzwand aus drei Stahlplatten in den Dicken 1,5 mm, 1,5 mm und 3 mm im Abstand von jeweils 100 mm.
(Bild: iwb)

Seit der Konstruktion des ersten funktionsfähigen Lasers im Jahre 1960 durch Maiman [1] konnten die maximale Ausgangsleistung der Strahlquellen und die Strahlqualität stark verbessert werden.

Besonders in den letzten Jahren wurde die Brillanz noch einmal beträchtlich gesteigert. Doch nicht nur die Strahlquellen selbst haben sich gewandelt, sondern auch die Anlagentechnik und die Optiken. Während man früher meist Anlagen in Portalbauweise nutzte, um eine Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück zu erreichen, oder die Lichtapplikatoren als zusätzliche Einrichtungen in CNC-Werkzeugmaschinen integriert wurden, so gilt der Einsatz von sechsachsigen Industrierobotern zur Positionierung der Laseroptik seit etwa einem halben Jahrzehnt als Standard [2].

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Diese Roboter ermöglichen es durch ihre hohe Flexibilität, die Bearbeitungsoptik in kurzer Zeit auf jeden beliebigen Punkt im Raum zu richten. Einen Schritt weiter gehen Ablenkoptiken, sogenannte Laserscanneroptiken. Sie ermöglichen es, den Laserstrahl durch eine kleine Bewegung eines Spiegels einen großen Raumbereich überstreichen zu lassen, und können so den Laserstrahl noch weitaus schneller auf jede Position in der Umgebung ausrichten.

Neue Möglichkeiten des Lasereinsatzes erhöhen die Anforderungen an die Sicherheitstechnik

Das Zusammenspiel dieser Entwicklungen – neue, hochbrillante Strahlquellen in Verbindung mit innovativer Anlagentechnik – eröffnete vollkommen neue Potenziale in der Lasermaterialbearbeitung. Insbesondere sind hier die 3D-Remotebearbeitungen zu nennen. Bei diesen Verfahren wird eine moderne Laserquelle mit einem Knickarmroboter inklusive Ablenkoptik mit großer Brennweite (größer 500 mm) eingesetzt, was dazu führt, dass auch große Werkstücke wirtschaftlich bearbeitet werden können. Dies wird durch kurze Taktzeiten, reduzierte Verfahrzeiten, wenige Positionswechsel und die geringe Bedeutung von Störkonturen bei dieser Methode ermöglicht [3].

Die oben genannten Veränderungen bringen neben den neuen Möglichkeiten des Lasereinsatzes jedoch auch erhöhte Anforderungen an die Sicherheitstechnik mit sich. Diese muss garantieren, dass sowohl der Mensch als auch die Umwelt, trotz der Möglichkeit, in Sekundenbruchteilen immense Leistungsdichten an einem beliebigen Ort im Raum zu positionieren, keinen Schaden erleiden. Aktuell wird dies meist in Form von Mehrfachwänden aus Metallplatten realisiert, welche den Bearbeitungsort als Kabine umschließen und so eine trennende Schutzeinrichtung im Sinne der DIN EN ISO 12100 [4] bilden.

Diese konventionellen Umhausungen können jedoch die Anforderungen der Prüfklassen T1 und T2, welche im Anhang D der DIN EN 60825-4 [5] für Laserschutzwände definiert werden (siehe Abbildung 1), kaum oder gar nicht erfüllen. Bild 1 und 2 zeigen stellvertretend für die aktuelle Sicherheitstechnik die Probe einer im Vergleich zu den derzeit industriell eingesetzten Umhausungen massiven Laserschutzwand aus drei Metallplatten in den Dicken 1,5 mm, 1,5 mm und 3 mm. Die beiden ersten Platten wurden geschwärzt, um den negativen Veränderungen der Absorption durch eine Verschmutzung aus dem Prozess zuvorzukommen. Die einzelnen Elemente haben einen Abstand von jeweils 100 mm zueinander und die Probe wurde mit einem Faserlaser mit einer Leistung von 5 kW bei einem Brennfleckdurchmesser von 90 mm bestrahlt. Die Zeit bis zum Versagen betrug etwa 30 s, was gleichbedeutend wäre mit einer Einordnung in die Prüfklasse T3.

Aktuelle Probleme der Lasersicherheit: Planungsaufwand und Rechtslage

Dies ist für die Mehrzahl der Anlagenbetreiber jedoch unbefriedigend, da die Anlagen ständig personal- und damit kostenintensiv überwacht werden müssen, obwohl die eigentliche Fertigungsaufgabe über eine ganze Schicht hinweg vollkommen automatisch wahrgenommen wird. Neben den hohen Kosten, die unter anderem durch die kurzen Wartungsintervalle entstehen, nennt Oefele (2013) [6] stellvertretend für andere Anwender den erhöhten Planungsaufwand, den Schulungsaufwand, die undurchsichtige rechtliche Situation und den erhöhten Platzbedarf als aktuelle Probleme der Lasersicherheit. Zäh und Braunreuther (2010) [7] weisen außerdem auf ein ausgeprägtes nichtlineares Standzeitverhalten von passiven Hohlkammer-Schutzwänden und teilweise gravierende Streuungen in der Schutzzeit hin, was die Auslegung von derartigen Sicherheitseinrichtungen schwierig und aufgrund der iterativen experimentellen Auslegung und der Tendenz zur Überdimensionierung auch teuer macht. Als Alternative zu den passiven Schutzwandkonzepten, welche ihre Funktion rein durch die Absorption der fehlgeleiteten Strahlung erfüllen, werden vermehrt auch aktive Systeme diskutiert, welche die Schutzzeiten der Prüfklassen aus DIN EN 60825-4 [5] (vergleiche Abbildung 1) auch beim Einsatz in Verbindung mit modernen Materialbearbeitungsanlagen ermöglichen sollen. Es handelt sich dabei meist um Sensoren, welche die Schutzwand überwachen und eine fehlerhafte Ausrichtung oder Aktivierung des Laserstrahls erkennen und die Anlage dann abschalten.

Sensoren erhöhen zwar die Sicherheit, bedeuten jedoch Mehraufwand

Derartige Einrichtungen können die Sicherheit bei der Arbeit mit Materialbearbeitungslasern deutlich erhöhen, wobei die Anschaffung eines solchen Sicherheitssystems und dessen Betrieb allerdings auch mit einem erhöhten Aufwand und erheblichen Mehrkosten verbunden sind. Dies liegt vor allem darin begründet, dass eine Vielzahl von Sensoren benötigt wird, um das gesamte Umfeld einer Anlage abzudecken. Des Weiteren können aktive Systeme nur in Verbindung mit passiven Schutzwänden eingesetzt werden, da die Reaktionszeit der Einrichtung überbrückt werden muss und von der Gesamtanlage auch keine gefährliche Streustrahlung ausgehen darf, auf die das Sicherheitssystem nicht reagiert. Damit wird allerdings auch die Auslegungsunsicherheit der passiven Schutzwände auf das Gesamtsicherheitssystem übertragen. Ein weiterer wichtiger Aspekt der aktiven Systeme betrifft die Funktionssicherheit: Diese muss mithilfe einer Risikoanalyse abgeschätzt werden und es muss eine gewisse Ausfallsicherheit gewährleisten werden können. Wie Goebel (2012) [8] anmerkt, sind dazu die Anforderungen der EN ISO 13849-1 [9] zu erfüllen. Daher sind derzeit auch lediglich zwei Systeme kommerziell verfügbar: Der Laser Spy [10] der Reis Lasertec GmbH und der Laserjailer [11] der Lasermet Ltd. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass der Handlungsbedarf in der Lasersicherheit bei der Lasermaterialbearbeitung vor allem die Punkte Schaffung von Transparenz in den rechtlichen Rahmenbedingungen, Erhöhung des Prozessverständnisses für die Strahl-Stoff-Wechselwirkung an Laserschutzwänden, Entwicklung von beanspruchungsgerechten, wirtschaftlichen Sicherheitskonzepten, Ermittlung der Sicherheit von Sicherheitssystemen, welche aus aktiven und passiven Komponenten bestehen, unter Berücksichtigung von Streuungen und Konzeption einer einheitlichen, generischen Auswahlmethodik für Sicherheitssysteme von Laser- Materialbearbeitungsanlagen betrifft.

Teil 2 folgt demnächst und informiert unter anderem zur gegenwärtigen Forschung am iwb sowie über die Umsetzung eines Konzeptes zur dezentralen aktiven Lasersicherheit.

Literatur

[1] Maiman, T. H.: Stimulated Optical Radiation in Ruby, Nature 187 (1960) 4736, S. 493-494.

[2] Kroth, E.: Robot Supported Laser System Technology, Laser Technik Journal 5 (2008) 3, S. 33-36.

[3] Albert, F.; Müller, A.; Sieve, P.: Laserstrahl-Remoteschweißen – eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung anhand system- und prozesstechnischer Beispiele, Laser Technik Journal 10 (2013) 4, S. 28-33.

[4] DIN EN ISO 12100: Sicherheit von Maschinen – allgemeine Gestaltungsleitsätze – Risikobeurteilung und Risikominderung (ISO 12100:2010); deutsche Fassung EN ISO 12100:2010: Beuth 2011.

[5] DIN EN 60825-4: Sicherheit von Lasereinrichtungen – Teil 4: Laserschutzwände (IEC 60825-4:2006 + A1:2008 + A2:2011); Deutsche Fassung EN 60825-4:2006 + A1:2008 + A2:2011: Beuth 2011.

[6] Oefele, F.: Lasersicherheit im Automobilbau - Erfahrungen und Anforderungen. Sicherer Einsatz von Lasern in Roboterhand. Ein Workshop des Bayerischen Laserzentrum e.V. zum Thema Schutzkonzepte und -systeme für Laser-Roboter-Arbeitsplätze. Nürnberg, 26.06.2013.

[7] Zäh, M. F.; Braunreuther, S.: Lasersicherheit durch Hohlkammerschutzwände, wt Werkstattstechnik online 100 (2010) 6, S. 465-471.

[8] Goebel, K. R.: Prüfung und Qualifizierung von aktiven Laserschutzsystemen und unterschiedlicher Funktionsprinzipien. Aktiver Laserschutz. Ein Workshop des Bayerischen Laserzentrum e.V. zum Thema aktive Schutzkonzepte und -systeme für den sicheren Lasereinsatz. Nürnberg, 08.11.2012.

[9] EN ISO 13849-1: Sicherheit von Maschinen – sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen – Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze (ISO 13849-1:2006); deutsche Fassung EN ISO 13849-1:2008: Beuth 2008.

[10] Reis Lasertec GmbH: Laserspy Safety Sensor, <http://www.reislasertec.de/produkte/laser-safety-systems/laserspy-safety-sensor>-02.12.2013.

[11] Lasermet Ltd.: Laser Jailer – The Active Laser Guarding System with Inherent Fail Safe Technology, <http://www.lasermet.com/active-laser-guarding-system.php>-02.12.2013.

* Florian Lugauer, Robert Wiedenmann und Dr.-Ing. Stefan Braunreuther sind Mitarbeiter der Themengruppe Füge- und Trenntechnik am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der TU München in 85748 Garching, Bryndis Eliasdottir ist Bachelorandin im Bereich Lasersicherheit und Prof. Dr.-Ing. Michael Zäh ist Leiter des Instituts, Tel. (0 89) 28 91 55 54, florian.lugauer@iwb.tum.de

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